Превод: Никола Бенин
Въведение
Морската микропластика (10–1000 µm) принадлежи към континуума на изхвърлените пластмасови отломки, които навлизат в океана от наземни и морски източници 1 . Пътеките за въвеждане на пластмаса са много разнообразни и включват река 2 и атмосферен транспорт 3 от крайбрежните и вътрешните райони, незаконни дейности по изхвърляне на отпадъци, ерозия на наследени сметища за отпадъци и директно замърсяване в морето от корабоплаване, риболов и аквакултури 1 , 4 . Вездесъщото присъствие на микропластмаси в морската среда поражда опасения относно вредите, които те могат да причинят на океанските екосистеми и в крайна сметка на човешкото здраве 5 , 6. И все пак научните доказателства за настоящите и бъдещите рискове от микропластмасата далеч не са стабилни, тъй като източниците, нивата на експозиция и вредата от тези замърсители са слабо ограничени. Въпреки че е събрана значителна част от данни за (микро) -пластични натоварвания в океана, географското разпространение на измерванията е оскъдно и са фокусирани най-вече върху пластмасови частици с размер над 250 µm от повърхностните води и морското дъно (реф. . 7 и препратките там). Изобилието и разпространението на микропластици, особено тези в по-малки категории по размер (<250 µm) в обширния океански интериор остават почти неизвестни, с изключение на едно цялостно дълбочинно изследване (8–4400 м) в централния басейн на Арктика 8. Това оставя значителна пропаст в знанията, тъй като наличието на микропластмаси> 11 µm в дълбоководната утайка 9 показва, че действително се извършва отстраняване от повърхностния океан в бездната. Като се има предвид настоящата липса на знания за местоположението и съдбата на микропластмасите в по-голямата част от океанския обем, натоварванията от океански пластмаси, плаващи в повърхностния океан, не могат да бъдат балансирани от техните масови потоци от сухоземни и морски източници 7 , 10 . Предполагаемите влагания на пластмасови отпадъци в океана 2 , 4 , 11 , от своя страна, също са масово несигурни и изискват стабилни емпирични оценки в световен мащаб.
Допълнителното предизвикателство / несигурност идва от гъвкавостта на пластмасовите материали и следователно от необходимостта да се оцени замърсяването с класове / полимерни видове микропластмаси, вместо да се разглеждат като единичен материал 2 . Изключително широката гама от физични и химични свойства на различните видове пластмаси отчасти ще определи степента и скоростта на техните трансформации (напр. Фрагментация 12 , 13 , разграждане 14 , агрегация 15 ) и взаимодействия (биообрастване 16 и поглъщане 17 , 18 ) в океан и по този начин тяхната устойчивост и въздействие върху биотата в него.
Тук оценихме замърсяването от отпадъци от полиетилен (PE), полипропилен (PP) и полистирол (PS) на 12 места на 10 000 км трансект Север-Юг на Атлантическия океан (фиг. 1 ). Изследваните полимерни групи са най-често срещаните стокови пластмаси, които се използват главно за опаковане. По този начин те имат кратък живот и голям принос към съдържанието на глобалните пластмасови отпадъци (56%) 19 . Скорошен мета-анализ 20също така идентифицира PE, PP и PS като най-разпространените полимери в морската среда, въпреки че тяхното разпространение в открития океан и особено вътрешността му е слабо ограничено. Измерихме проникването на частици PE, PP и PS с размер до 25 µm от близката повърхност до вътрешността на океана под максималната дълбочина на горното смесване на океана (> 200 m). Ние обсъждаме нашите констатации в контекста на предишни наблюдения и оценки на замърсяването с пластмаса в Атлантическия океан, както хоризонтално, така и с дълбочина. Ние предоставяме басейнова оценка на степента на замърсяване от тези полимери в горните 200 м и свързваме тези данни с изчислените по-рано пластмасови входове в океана през последните 65 години.
a Места за вземане на проби (номерирани бели кръгове), насложени върху климатология с максимална месечна дълбочина на смесения слой (MLD, m) в Атлантическия океан, съставена с помощта на Argo профили 79 , 80 b Широчина, показваща места за вземане на проби (номерирани) за микропластика (бели кръгове) в водният стълб по отношение на дълбочината на смесения слой, определен като абсолютна промяна на температурата (Δ T (° C)) по отношение на приблизително еднакъв район на температура на 10 m под океанската повърхност 25 . Вертикалните профили на температурата бяха събрани на всяка станция преди внедряването на SAP (реф. 23 ). Изотерми (бели контури) на Δ T = 0.8 ° C маркира основата на смесения слой на станции 01 до 19. Поради интензивното смесване на станции 23, 27 и 30, фиксираният температурен критерий беше понижен до Δ T = 0.3 ° C (справка 25 ).
Резултати
Теренни наблюдения
За количествено определяне и характеризиране на хоризонталното и вертикалното изобилие на PE, PP и PS, на всяка станция на трансекта събрахме окачени морски частици, включително пластмаси, използвайки in situ самостоятелни помпи (SAPs; Challenger Oceanic Ltd.) 21 , 22 разположени едновременно в три дискретни дълбочини (фиг. 1б и допълнителна таблица 1 ; „Методи“). Най-плитката дълбочина на вземане на проби винаги е била на 10 m под повърхността, за да се получат концентрации на микропластика, представителна за горния воден стълб (фиг. 1б). Събрахме микропластмаси на две дълбочини под основата на смесения слой, за да измерим тяхното разпръскване във вътрешността на океана. Дълбочината на смесения слой (MLD) се определя от профилите проводимост-температура-дълбочина, събрани преди всяко разгръщане на помпите (референции 23 , 24 ) и използвайки фиксиран критерий, базиран на температурата (Δ T = 0,8 ° C за станции 01 –19 и Δ T = 0,3 ° C за станции 23, 27 и 30; фиг. 1б ; виж реф. 25 ). На нашия широк трансект MLD беше между 28 и 140 m. Междинната дълбочина на вземане на проби беше избрана да бъде на ~ 10–30 m под MLD (фиг. 1б ; допълнителна таблица 1). Най-дълбокият (мезопелагичен) слой от събиране на частици е на 100 м под този междинен хоризонт за вземане на проби, дълбочина дълбоко във вътрешността на океана (фиг. 1б ; допълнителна таблица 1 ) и изолиран от океанската повърхност в продължение на десетилетия 26 .
Всички стъпки, включващи събиране, обработка и анализ на проби, бяха извършени в контролирана от въздуха среда и с използване на чиста, предварително изгорена и, когато е възможно, непластмасова лаборатория („Методи“). Събирането на частици с SAP предлага значителни предимства по отношение на обемите на филтрирана морска вода (507–1534 L на SAP; допълнителни данни 1 ) и предотвратяване на замърсяване, пренасяно от въздуха („методи“). Не бяха открити микропластици PE, PP и PS във всички процедурни заготовки (допълнителни фигури 1 и 2 ), показващи вземане на проби и анализ без замърсяване (виж също допълнителни методи ). След отстраняване на прахови органични материали с KOH 27 , 28, микропластиката се концентрира предварително върху мрежа от неръждаема стомана с 25 µm отвор, за да бъде открита и охарактеризирана (тип и размер на полимера), използвайки Fourier-Transform инфрачервено (FTIR) изображение при разделителна способност 25 µm („методи“).
Ние отчитаме концентрациите на специфични за полимера микропластмаси като брой частици на единица обем (частици m −3 ) за сравнение с предишни проучвания. IR изобразяването осигурява двумерни (2D) свойства (дължина, ширина, площ) на отделни частици, които, заедно със съответните данни за броя на частиците, се използват за оценка на полимер-специфични масови концентрации (µg m −3 : вижте „Методи“ , справка 24 и допълнителни данни 1 ) и впоследствие съответните им натоварвания в океана („Методи“). Изчислихме масата на частиците, използвайки същата процедура и предположения за форма, дебелина и плътност на частиците, както в предишни проучвания 10 , 29 , 30 , 31 ,32, но докладват най-ниските стойности, за да предоставят най-консервативните оценки на масовите концентрации (подробно в Допълнителни методи и Допълнителна фигура 3 ). Масата на отделните микропластмаси <300 µm не е измервана директно в насипни морски частици. Представяме емпирична информация за размера и масата на полимер-специфичната пластмаса, проникваща по-дълбоко във вътрешността на океана, от решаващо значение за разбирането и прогнозирането на глобалната инвентаризация на морските пластмасови отломки и техните източници.
Изобилие и разпространение в Атлантическия океан
PE, PP и PS микропластиците бяха открити на всички станции в броя и масовите концентрации, които варираха с няколко порядъка в хоризонтала и с дълбочина (фиг. 2 ). Като цяло, PE беше най-разпространената и широко разпространена полимерна група със значително по-високи концентрации на брой и маса (средно ± sd, 1602 ± 1551 частици m −3 и 389 ± 377 µg m −3 ) в сравнение с PP (490 ± 822 частици m −3 и 262 ± 568 µg m −3 ) и PS (180 ± 439 частици m −3 и 58 ± 241 µg m −3 ) (за всички тест на Mann-Whitney U : p <0,001, α = 0,01). PE микропластмасите бяха идентифицирани във всички проби, с изключение на междинния дълбинен слой на най-южната станция (53 ° S). Обърнете внимание, че на това място за вземане на проби не са открити PP или PS микропластици, въпреки че присъстват други видове полимери като полиамид и целофан (допълнителни данни 2 ), от които заключаваме, че отсъствието на PP и PS не е следствие на неправилно вземане на проби . Наличието на PP и особено на PS под MLD беше неравномерно. Само 67% от пробите от междинния дълбочинен слой съдържат РР, докато PS микропластмасите се срещат в 60% от повърхностните проби и в <50% от по-дълбоките.
a - c концентрации на броя на частиците (частици m −3 ) и d , e масови концентрации (µg m −3 ) на полимерните групи във всяка станция и дълбочинен слой. Не е взета проба в близост до повърхността (10 m) при 45 ° N (маркирана с бял триъгълник) поради повреда на помпата. В a - c височината на лентата показва концентрацията на частиците, получена от средния брой на микропластмасата в четири изображения на проба 24 и мащабирана до известната обща филтрирана площ и известния обем на пробата на изследваната фракция на пробата (вж. Методи и допълнителни данни 1 ). В г - е, височината на лентата показва масовата концентрация на микропластмаса, получена от данните за концентрацията на частиците и двуизмерните свойства на откритите отделни частици, използвайки метод IV (реф. 10 ; вж. Допълнителни методи и допълнителни данни 1 ). Всички ленти за грешки са едно стандартно отклонение, показващо несигурност, разпространена чрез изчисленията. За по-голяма яснота се показва само горната лента за грешки (+1 sd). Обърнете внимание на увеличена скала за концентрации на полипропилен ( b ) и полистирол ( c , f ).
Размерът на всички открити микропластмаси PE, PP и PS беше измерен като максимален диаметър (диаметър на Feret) и варираше от 32 до 651 µm (средно = 81 µm, n = 1444; Фиг. 3 ). По-голямата част от полимер-специфичните микропластмаси са <100 µm (PE = 68%, PP = 49% и PS = 67%) с разпределение на пиковите размери, наблюдавано в диапазона 50–75 µm за всички полимерни групи (Фиг. 3). Само малка част от трите полимерни групи са> 300 µm: за PE, приносът на тази фракция с размер е 1,1% числено, докато съответните стойности за PP и PS са съответно 2,5% и 0,7%. PP микропластмасите имат по-голям принос от 100–200 µm частици (40%) в сравнение с PE (27%) и PS (18%), което обяснява като цяло значително по-големи средни размери (± sd) на PP микропластмаси (117 ± 76 µm ; n = 302) от тези на PE (96 ± 61 µm; n = 1017; U- тест на Mann-Whitney : W = 147,085, p = 1,42 × 10 −9 , α = 0,01) и PS (87 ± 64 µm; n = 125; Mann-Whitney U тест: W = 29,341, p = 8,94 × 10 -8 , α = 0,01).
a Полиетилен, b полипропилен и c полистирол. Точките за данни, съставляващи разпределенията, се показват като кръгове със съответния цвят. Ширината на всяко разпределение е мащабирана така, че да позволява взаимното сравнение на разпределенията, независимо от броя на точките от данни ( n ). Белите кръгове показват средни размери на частиците с хоризонтални ленти като ± стандартно отклонение. Прекъснатата линия отбелязва най-ниския измерен размер на частиците (32 µm) в това проучване. Доминирането на микропластмасите с размер <300 µm е подчертано в сиво. Наборът от изходни данни е представен в реф. 24 .
Откриваме повишени броя и масовите концентрации (средно ± sd) на PE (1732 ± 1793 частици m −3 и 591 ± 460 µg m −3 ), PP (822 ± 1250 частици m −3 и 258 ± 354 µg m −3 ) и PS (228 ± 350 частици m −3 и 148 ± 424 µg m −3 ) в приповерхностните води, въпреки че значителни количества от тези микропластмаси бяха открити под MLD (фиг. 2 , фиг. 4 ). Като такива, наброяващо, средните количества PE и PS са сравними в повърхността и точно под MLD (фиг. 4a, в ). В мезопелагиката средното изобилие намалява с коефициент 2 за PE (1052 ± 452 частици m −3) и спадна ~ 4 пъти за PS (средно 62 ± 90 частици m −3 ). По маса обаче концентрациите на PE и PS постоянно намаляват с дълбочина (фиг. 4а, в ). Загубата на маса с дълбочина е по-бърза за PS микропластмасите, отколкото за PE. Очевидното несъответствие между вертикалните модели на броя и масовите концентрации на PE и PS отчасти се дължи на значително намаляване на размера на частиците между повърхностните и междинните дълбочинни слоеве (фиг. 3а, в ). Тук средният (± sd) размер на PE и PS микропластмасите се променя от 105 ± 74 на 89 ± 57 µm ( U- тест на Mann-Whitney : W = 101,077, p = 0,000582, α = 0,01) и от 102 ± 95 на 78 ± 38 µm (Ман – Уитни Uтест: W = 249,5, p = 0,01077, α = 0,01), съответно. За разлика от PE и PS, средният брой и масови концентрации на PP са най-ниските в междинния дълбочинен слой (средно ± sd, 271 ± 496 частици m −3 и 44 ± 58 µg m −3 ; фиг. 4б ). РР микропластиците също бяха с по-малки размери в този дълбочинен слой (средно ± sd, 102 ± 47 µm) от частиците, уловени в повърхността (средно ± sd, 119 ± 66 µm) и мезопелагични води (средно ± sd, 132 ± 112 µm) ) (Фиг. 3b ), въпреки че тези разлики не са значителни въз основа на статистиката на Mann-Whitney U.
Баровете показват броя частици (частици m -3 ) и концентрации маса (цд m -3 ) на един полиетилен, б полипропилен и в полистирен, осреднена за всички станции за вземане на проби на всеки дълбочина хоризонт. Данните са представени като средни стойности с горни ленти за грешки (+1 sd) за яснота. Във фигуралната легенда буква n в скоби показва броя на станциите, взети на проби в съответния хоризонт на дълбочина (допълнителна таблица 1 и допълнителни данни 1 ).
Дискусия
Това проучване предоставя широкомащабни данни за дълбочината на замърсяването на Атлантическия океан от PE, PP и PS микропластици. Нашите наблюдения показват много високи концентрации на тези полимери в диапазон на размери 32–651 µm, разпространяващ се по всички ширини и проникващ от близкия повърхностен океан, през смесения слой и във вътрешността на океана (> 200 m).
Като цяло относителните масови концентрации на полимер-специфичните микропластмаси в нашите проби (PE> PP> PS) съответстват на полимерния състав на пластмасовите отпадъци, генерирани в световен мащаб 19 и уловени в повърхностния океан и в морското дъно (преглед от реф. 20 и справки в тях).
Предизвикателно е прякото сравнение на данните за изобилието ни в близост до предишните атлантически изследвания на микропластичното замърсяване, тъй като почти всички от тях прилагат различни подходи за вземане на проби и анализи. Като такова, нашето проучване оценява по последователен, целенасочен начин по-малката категория микропластмаси в обширен океански регион и на три дискретни дълбочини и ги анализира, използвайки FTIR образна техника. Нашият метод даде възможност за откриване на много малки частици и не изисква визуален подбор на съмнителни пластмаси преди анализа 33 . По този начин ние открихме много по-голямо изобилие в близост до повърхността на изследваните полимерни групи (комбиниран обхват, 990–6999 частици m −3) в сравнение с атлантическите записи на предварително подбрани насипни микропластични отломки с диапазон на размери ≥10 µm (обхват, 13–801 частици m −3 ; ref. 34 ). По същия начин открихме повече отломки PE (64 частици m −3 ), PP (29 частици m −3 ) и PS (12 частици m −3 ) в обхват> 250 µm от предишните проучвания на насипни микропластмаси в Атлантическия океан (напр. обхват 0–8,5 частици m −3 в справка 35 и 0–22,5 частици m −3 в справка 36 ). Нашите полимер-специфични концентрации, обаче, значително по-ниски от натоварването на насипни пластмасови отпадъци от> 25 цт по размер открива в морски лед полярния (10 5 -10 8 частици m- 3 ), използвайки същия подход за откриване 33 . Обърнете внимание, че PE също доминира в полимерния състав в повечето арктически ледени ядра, изследвани в реф. 33 .
Въпреки различните методологии, нашите измервания в близост до повърхността са сравними с оценките, коригирани от вятъра за 25–1000 µm насипни микропластици, плаващи в Северния Атлантически океан (610–36 000 частици m- 3 ; реф. 31 ). Разпределението на размера на частиците на микропластиците PE, PP и PS е доминирано от фракция 50–80 µm, в съответствие с резултатите от ref. 34 . Комбинираната масова концентрация на PE, PP и PS в близката повърхност (диапазон, 259–1969 µg m −3 ) също беше със същия порядък като концентрациите на плаващи насипни пластмасови отломки с размер> 300 µm (100 –1000 µg m −3 и справка 10 и 5–14 000 µg m −3 в справка 31). В допълнение към референции. 31 , 34 , нашите констатации сега осигуряват силна подкрепа за по-малките микропластмаси, които са доминираща съставка на океанския пластмасов инвентар, по-рано неотчетени от общите техники за вземане на проби и следователно не включени в оценките на океанската тежест на пластмасите 7 , 37 , 38 .
Наблюденията на микропластичното изобилие в открития океан и на дълбочини под смесения слой са направени само в Арктическия централен басейн 8 . Тези данни са ограничени и до предварително подбрани микропластици с размер по размер> 250 µm, от които 96% са синтетични влакна. Останалата фракция е микропластмаса без влакна от полимерни видове, различни от PE, PP и PS и комбинирани концентрации 0–4 частици m −3 , което пречи на директното сравнение с нашите данни.
По отношение на модела на разпространение в басейна, не наблюдаваме значително увеличение на подпочвеното изобилие от малки микропластмаси в субтропичните извивки на Атлантическия океан, където по-големи плаващи пластмаси, предшественици на микропластика, изглежда се натрупват според предишните усилия за вземане на проби 10 , 34 , 39 , 40 и прогнози от мащабните модели за транспортиране на повърхностен океан 7 , 37 , 38 . В северната стена повишеното изобилие от микропластмаси PE, PP и PS се наблюдава само при 15 ° северна ширина (фиг. 2 ) и вероятно се доставят от Кабо Верде (разположено ~ 600 км източно от мястото за вземане на проби (фиг. 1))) от преобладаващите течения и ветрове. Концентрациите и на трите полимерни групи бяха най-ниски в станции 15–19 в южната част на Атлантическия субтропичен извор (фиг. 2 ). Понастоящем това пространствено несъответствие не може да бъде обяснено със сигурност. Една от причините е, че все още не е измерена пълната степен на натрупване на пластмасови отломки от различни класове по размери, докато по-голямата част от повърхността на океаните и подземните води също е недостатъчно 7 . Това въвежда сериозни несигурности при идентифициране на модели на разпространение на замърсяване с пластмаса на басейни и глобални скали 7 , 41 . Забележителен е фактът, че по-ранни проучвания 10 , 34 , 39 , 40съобщават за силно променливо изобилие от нетно събрани пластмаси в кръговете с различни местоположения на измерените горещи точки в Атлантическия океан спрямо нашите места за вземане на проби. Друга причина се отнася до основните процеси, които доставят, разпространяват, трансформират и премахват пластмасите в океана, които трябва да бъдат ограничени, за да се обяснят разликите в изобилието на пластмаса в морската повърхност и в дълбочина. По този начин повърхностният опис на пластмаси във всеки клас на размерите на дадено място отразява входящите и степента на отстраняване във времето. Скоростта на въвеждане е функция от количеството пластмасови отломки, влизащи в океана, и от скоростта, с която те се фрагментират до размери, които могат да бъдат уловени от наличните техники за вземане на проби. Веднъж в повърхностния океан, пластмасата се разпределя наоколо от преобладаващите ветрове, повърхностни течения и малки характеристики на циркулация7 , 42 , 43 . Процесите на отстраняване ще разреждат пластичните концентрации в повърхността и ще определят тяхното изобилие във вътрешността на океана 34 . Тези процеси включват адвекция 37 , 44 , поглъщане от зоопланктон 17 и по-големи морски организми 45 , гравитационно потъване след биообрастване и включване на микропластмаси във фитодетритни агрегати 15 и фекален материал 18. Механистичният характер, силата и скоростта на тези процеси на преразпределение и отстраняване понастоящем са неизвестни, но вероятно ще варират в различните региони на океанографията в Атлантическия океан и в световен мащаб. Нашата оценка на дълбочината на микропластично замърсяване върху пространствено обширен трансект в Атлантическия океан разкрива сложността на взаимодействията между океанските процеси и пластмасовите отломки. За разрешаване на тези взаимодействия в различни океански региони са необходими интензивни, последователни и многократни усилия за вземане на проби, подобни на ежегодно повтарящите се AMT пътувания или включващи автономни наблюдения in situ. Това е критично, ако искаме да разберем и предвидим съдбата и въздействието на пластмасовите отломки върху морските екосистеми.
Нашето проучване показва силна хетерогенност в хоризонталното и вертикалното изобилие на отделните видове пластмаса. Повсеместното присъствие на PE и PP микропластмаси в повърхностните океани 33 , 34 , 35 и седиментите 9 е документирано по-рано. Сега показваме, че подповърхностното замърсяване с тези полимери също е широко разпространено и достига до много отдалечени райони на Южния Атлантически океан (фиг. 2а, б ). PE и PP са най-използваните и замърсени в световен мащаб 19, а също така първоначално са плаващи в морска вода и по този начин могат да изминат дълги разстояния, преди да се изгубят в океана 33. Възможно е повишените количества микропластици PE и PP (до 2553 и 726 частици m −3 , съответно), открити около Южна Джорджия (станции 27 и 30), са били рекламирани от Южния фронт на ACC, пътуващи от боклука на Rapa Nui в южноатлантическия 39 , 46 или от Субантарктическия фронт, който би могъл да завладее замърсени с пластмаса води, превозвани от Бразилските течения 39 . Приносът от местните риболовни дейности около архипелага също е вероятен. Например части от риболовни съоръжения, като сплетени въжета от парагади и тралове, често са изработени от PE и PP или композитни материали от PE с други полимери 47 , 48 , 49 .
От изследваните групи, PS е единственият полимер, който показва значително намаление на южното му изобилие от повърхностна маса (Mann-Whitney, W = 233, p = 0.0053, α = 0.01; фиг. 2е ), което вероятно се дължи на по-ниското производство, потребление и отпадъци от този полимер от страните в Южното полукълбо 4 , 50 . PS микропластиката е оскъдна в близката повърхност, в съответствие с предишни наблюдения 35 , 40 ; те рядко се срещат в мезопелагичния слой и не се откриват на тази дълбочина в Южния Атлантик (фиг. 2в, f). Относително ниската стабилност и високите нива на разграждане на PS в морската вода могат да бъдат едно от обясненията за ниското изобилие, както и по-малките размери на частиците на този полимер в сравнение с тези на PE и PP 51 . Освен това PS се произвежда в два различни химически класа, които могат да повлияят на съдбата му във водния стълб. Микропластмасите от кристален клас PS (използвани в домакински съдове и твърди опаковки) са по-плътни от морската вода ( ρ = 1,04–1,05 g cm −3 ) и следователно може да са по-склонни да се транспортират надолу по водния стълб и да надминат дълбочините, взети в нашето проучване . Като алтернатива, но не изключително, микропластмасите, получени от експандирания PS материал, който представлява 98% газ по състав с плътност ~ 0,05 g cm −3, може да бъде задържано за предпочитане над най-малката дълбочина, взета в нашето изследване и / или разпръснато хоризонтално чрез преобладаващи повърхностни течения 44 и ветрове.
Отбелязваме по-висока грешка на концентрациите на PS в сравнение с тази на PE и PP (фиг. 2 ) поради ниския абсолютен брой на PS микропластиците в отделните проби (допълнителна таблица 1 ). Преди това беше предложено значението на оценката на микропластмасите, базирана на класа, в пробите от околната среда 2. Нашите данни показват важността на приспособяването на методите за вземане на проби от микропластици и анализ на конкретни полимерни типове с оглед на вероятното им изобилие в околната среда. По този начин, целенасоченото извличане на полимерни видове, които представляват интерес, предварително концентрирането им чрез филтриране на по-големи обеми вода и сканиране на по-големи области на изображението върху филтъра може да намали несигурността при изучаване на сравнително редки пластмаси, като PS. Подобен подход е разработен за измервания на основни и микроелементи в океана 52 , който би могъл да се използва като насока за подобряване и хармонизиране на методите в морските пластмасови изследвания.
Ние съобщаваме, че комбинираните масови концентрации на PE, PP и PS микропластици под MLD и в мезопелагиката са средно (± sd) съответно 511 ± 440 и 642 ± 916 µg m −3 . Въпреки че са изключително променливи с географска ширина, тези стойности са от същия порядък като масовите натоварвания на по-големи пластмасови отпадъци, предшестващи курсори от микропластмаси, за които се съобщава, че плават в Атлантическия океан 10 , 31 . Наблюдаваното запазване на пластмасовата маса в дълбочина сочи към транспортиране на повърхностни пластмаси надолу след раздробяване. Това също така показва, че отстраняването на тези малки микропластмаси във вътрешността на океана е важна мивка, която предотвратява натрупването на пластмаса в повърхностните води.
Преобладаването на микропластмасите <100 µm на всички наши места за вземане на проби показва, че хоризонталното разпръскване на микропластмасите и загубата им във вътрешността на океана е селективен по размер процес 10 , 34 , 42. Предполагаме, че част от отпадъците от PE, PP и PS са били освободени в морската среда с размер под милиметър (например като умишлено произведени микропластмаси), докато механичните сили и фотохимичните процеси фрагментират по-големи пластмаси в микропластмаси както на място, така и по време на тяхното преминаване до отдалечените води на Атлантическия океан. Независимо от произхода, малкият размер на микропластмасите изглежда е важен стимул за възникване на транспорт надолу. По-малките микропластмаси са по-склонни към вертикално разпръскване чрез смесване и дифузия, особено в смесения слой 30 , 34 , 43 . Биообрастване на пластмасови повърхности, процес, който намалява плаваемостта на пластмасите достатъчно, за да ги накара да потънат 53 , 54, 55 , е доказано, че е по-бърз за по-малките частици поради високото им съотношение между повърхността и обема 56 . На свой ред, покритите с биофилм микропластмаси се агрегират по-бързо с морски сняг 57 , което може да улесни техния износ надолу в дълбокия океан. Наблюдавано е и преференциално поглъщане на по-малки пластмаси от морски зоопланктон 17 , 58 , с последици за последващото им влагане в бързо потъващи фекални пелети 18 .
Общото отсъствие на ясен модел във вертикално изобилие на изследваните полимерни групи показва, че тяхното снабдяване, разпределение и съдба, а оттам и времето на престой във водния стълб, се влияят от разнообразни и сложни процеси 10 . Полимерният тип би могъл да повлияе на скоростта на тези процеси, както вече е видно от различен модел на вертикално разпределение на отпадъци от PE, PP и PS. Цялостната устойчивост на PE, PP и PS в горния мезопелагик обаче е неясна, тъй като изобилието на тези полимери в бездната на океана и на морското дъно все още предстои да бъде измерено на съответните пространствено-времеви скали.
Нашият набор от данни за дълбочина, специфичен за полимера, показва, че (i) микропластмасите с по-малки размери са били силно подценени при предишни оценки на замърсяването с морска пластмаса и (ii) значителни количества малки микропластмаси се губят от повърхностните води и се съхраняват в океана интериор. Фокусирайки се върху Атлантическия океан и включвайки специфични за полимера микропластмаси в размер 32–651 µm, вече можем да примирим съществуващата загадка от липсващите океански пластмаси 7 , 10. Ние признаваме, че разликите в размера на частиците и типовете пластмаси (насипни спрямо специфични полимери) на въвеждането и запасите трябва да бъдат сведени до минимум, за да се даде възможност за тяхното пряко сравнение. Несигурността на нашите данни поради границата на размера на измерваните частици и превръщането на 2D изображения в масови концентрации също трябва да бъде намалена. Отбелязваме също, че пространствените и вертикални тенденции на изобилието и разпространението на пластмаса в Атлантическия океан вероятно ще варират поради различни пътища на доставка и отстраняване на пластмаси, които тепърва ще бъдат ограничени. Въпреки тези ограничения, основният извод за бюджета на атлантическия пластмаса ще бъде непроменен, тъй като нашите оценки са много консервативна минимална оценка за общото ниво на замърсяване на масата.
Въз основа на тенденциите за генериране на пластмасови отпадъци от 1950 до 2015 г. (реф. 19 ) и ако приемем, че Атлантическият океан непрекъснато е приемал 0,3–0,8% от глобалните пластмасови отпадъци 4 в продължение на 65 години, ние изчисляваме, че атлантическите води и седименти съдържат 17– 47 милиона тона (MT) пластмасови отпадъци („Методи“ и допълнителна таблица 2 ).
Средно за всички места и дълбочинни слоеве, взети в това изследване, масовите концентрации на изследваната полимер-специфична микропластика в категория с размер 32–651 µm са 389–719 µg m −3 (PE), 216–324 µg m −3 (PP ) и 58–95 µg m −3 (PS). Ако приемем, че тези концентрации са представителни за цялата площ на Атлантическия океан 59 и до 200 m дълбочина (средна дълбочина на мезопелагичния слой, взет в пробата в това проучване), изчисляваме комбинираното тегло на тези три полимерни групи да бъде 11,6–21,1 MT (PE = 6–14 MT, PP = 4–5 MT и PS = 0,95–1,6 MT) (Фиг. 5 ). Това е значителен принос за ~ 0,1 MT по-големи пластмасови отломки (> 300 µm), за които се очаква да бъдат разпръснати в повърхностните води на Атлантическия океан7 , 39 и натрупани на морското дъно (5,6–13,5 MT пластмасови отломки с размер> 5 mm; справка 60 ) („Методи“ и допълнителна таблица 2 ). Обърнете внимание, че приносът на полимер-специфични микропластици от категория с размери 300–651 µm е незначителен предвид ниското им изобилие в пробите (<5%). Следователно големите количества малки специфични за полимера пластмаси, които смятаме, че се съхраняват в горните 200 m от Атлантическия океан, са поразителни, като се има предвид, че те представляват само 5,3% от обема на Атлантическия океан 59 и не включват 44% от другата пластмасова пластмаса типове 19 и микропластмаси в категория по размер под границата на откриване на това проучване 9 , 33 , 61включително нанопластика 62 , 63 . Нашите оценки на басейновия мащаб също не отчитат пластмасовия боклук, който би могъл да бъде прикрепен към бреговата линия 44, или големи количества малки пластмасови отломки, които вече са били заровени в дълбоководните утайки (например ~ 80% от пластмасовите частици, докладвани в арктическите утайки са в ≤25 µm размер категория 9 ).
Сивите ленти показват входните данни и океанския инвентар от насипно пластмасово сметище от литературата 2 , 4 , 7 , 31 , 39 , 60 . Сините ленти показват комбинираната маса на полиетилен (PE), полипропилен (PP) и полистирол (PS) микропластмаса, измерена в това проучване (най-консервативните оценки; вж. Допълнителни методи за подробности). Горните (максимални) оценки за всяка категория са показани с пунктирани ленти. Цифрите над лентите показват категорията на размера на частиците. Постъпването на пластмаса е представено от кумулативната маса на насипни пластмасови отпадъци, за които се смята, че са навлезли в Атлантическия океан между 1950 и 2015 г. (справки 2 , 4 ,19 ). Натоварването на пластмаси в повърхностния океан (0–10 m) включва прогнозната маса на насипни пластмасови отпадъци (0,1 милиона тона; справки 7 , 39 ; допълнителна таблица 2 ) и комбинираната маса на PE, PE и PS, определена в това проучване (0,8–1,6 милиона тона).
Включването на натоварванията от малки микропластмаси само от три вида полимери, натрупващи се в горната мезопелагия, в предварително изчислените морски запаси от пластмаса вече може да балансира и, предвид гореспоменатите ограничения, да надвишава кумулативното предлагане на пластмаса в Атлантическия океан от 50-те години насам.
Нашите резултати показват, че не липсва мивка от океанска пластмаса; по-скоро предишните оценки на замърсяването с пластмаса в океана не бяха достатъчни по отношение на размера на частиците, събрани и изследваните водни слоеве. Те също така разкриват критичното значение на много малки, повърхностни микропластмаси за океанската пластмасова тежест, особено по отношение на по-големи пластмасови отломки, плаващи на повърхността или отложени на морското дъно. Важното е, че нашите наблюдения са несъвместими с предварително изчислените нива на доставка на пластмаса в океана и заключаваме, че последните са значително подценявани. Има няколко обяснения, които могат да бъдат предложени. Първо, прогнозното количество наземни пластмасови ресурси в основата си се основава на данните за генериране на отпадъци в мащаб, за които се предполага, че част от тях ще влезе в океана4, но все още не е измерено директно. Реф. 2 , 11 , обаче, използва измервания на микропластични концентрации в реки, за да калибрира моделните коефициенти за пластмасовите входове през реки. Освен това нито един от моделите не отчита атмосферните 3 и морските влагания на пластмаси. Най-важното е, че те напълно представят микропластмасите <300 µm и по този начин не отчитат микропластмасите, които са умишлено произведени в микроскопични размери (например микрозърна) и които са фрагментирани / разградени до по-малки размери преди навлизането в морската среда. Последните проучвания показват, че микропластмасите, които се освобождават директно в околната среда като малки пластмасови частици (<5 mm), могат да бъдат значителен източник на пластмаса в океана 64, 65 , 66 . Моделираните оценки на глобалното снабдяване на произведените микропластици в океана са от порядъка на 0,8–2,5 MT година -1 (ref. 67 ), но те са много несигурни и изискват валидиране с емпирични данни.
Въпросът за липсващите пластмасови мивки в океана 7 , 10 стимулира приемането на по-добри аналитични инструменти, които позволиха надеждно и безпристрастно откриване на малки микропластмаси в морската среда. Подобно на нашата методология, FTIR изображението, което сканира цялата проба от филтрирани частици, позволява ref. 33 за откриване на 2-3 порядъка повече микропластмаси> 11 µm в арктическия морски лед в сравнение с предишните оценки, базирани на техники, които изискват ръчен предварителен подбор на потенциални пластмаси 68. Тъй като способността ни за вземане на проби и откриване на пластмаси с по-малки размери в океана се подобрява, възниква критичната необходимост също така да се ограничат стабилно влагането на пластмаса в океана от земни и морски източници, като се гарантира, че малките размери на пластмасите, включително нанопластмасите, се включват бъдещи полеви наблюдения и прогнозни модели.
Пластмасата играе важна роля в живота ни, предоставяйки огромни ползи и спестявания по отношение на здравето и безопасността, потреблението на ресурси и енергия, емисиите на CO 2 и производствените разходи 69 . Понастоящем тези характеристики не могат да бъдат съпоставени с друг материал 70 . И все пак трайността на материала, което е такова предимство при използването му, също е причина за безпокойство, когато пластмасата се изпуска в по-широката околна среда поради лоши практики за управление на отпадъците. Към днешна дата ключова несигурност е степента на замърсяване на океана и нашите открития показват, че това е много по-голямо по отношение на масата, отколкото е било изчислено по-рано. Тъй като най-вероятно пластмасата ще бъде широко използвана в продължение на много години напред 71, необходимостта от количествено определяне на този материал по отношение на неговите източници, мивки и отговорните процеси е въпрос от голяма спешност. Без това фундаментално знание няма да е възможно заключение, основано на доказателства за вредите, свързани с излагането на пластмаси, както и решения относно начините, по които обществото произвежда, използва и изхвърля този много ценен и необикновен материал.
Методи
Предотвратяване на замърсяване
Всички стъпки, включващи събиране, обработка и анализ на проби, бяха извършени в контролирана от въздуха среда: в морето цялата работа беше извършена в кабинета с ламинарен поток (P-range, Bassaire, UK); на сушата пробите са обработени в чиста лаборатория по ISO-5 и в ламинарен поток, изграден с ламинирана дъска за разделяне на частици с висока плътност (Felcon, UK). Ако не е посочено друго, целият лабораторен фаянс е направен от стъкло или неръждаема стомана и е почистен старателно преди употреба ( допълнителни методи). Откритата повърхност на контейнерите също беше сведена до минимум (например вместо чаши бяха използвани конични колби). Всички филтърни мембрани, използвани в това проучване, бяха предварително изгорени при 500 ° С (филтри от неръждаема стомана и стъклени влакна) и при 300 ° С (сребърни филтри) в стъклени чашки за 24 часа и се държат покрити по всяко време. Използването на SAP за събиране на частици предлага значителни предимства по отношение на предотвратяването на въздушно замърсяване 72 . Мрежата на пробата беше заключена в корпуса на филтъра от поливинилхлорид (PVC) с изход ( Ø 2,5 см) от същия полимерен тип, бяла PP преграда, отделяща филтърната мрежа с различни размери, бутилови О-пръстени, уплътняващи вътрешния възел 72и скоби от неръждаема стомана, заключващи всички единици. Корпусът на филтъра и всички негови компоненти бяха добре почистени преди всяко разгръщане под капака на ламинарния поток ( допълнителни методи ). Мрежата за проби беше заредена и извадена от корпуса на филтъра в шкафа с ламинарен поток. Корпусът на филтъра беше покрит с алуминиево фолио, за да се изключат частици, пренасяни във въздуха, до последната минута преди разполагането и по време на транзита в корабната лаборатория след разполагането. Всички химикали, използвани за обработка на пробата (калиев хидроксид и етанол), бяха филтрирани през предварително изгорен сребърен филтър (номинален размер на порите 0,8 µm, Sterlitech, САЩ).
Вземане и обработка на проби в морето
Проби от водни колони бяха събрани на борда на RRS James Clack Ross по време на преминаването на круиз AMT26 JR16001 на Атлантическия меридионален трансект ( http://www.amt-uk.org/ ) през септември – ноември 2016 г. На всяка станция / дълбочина, in situ SAP (Challenger-Oceanic Ltd.) бяха използвани за събиране на големи обеми морска вода (507–1534 L за 50 минути изпомпване) за улавяне на суспендирани и потъващи частици 21 , 22 върху предварително почистена мрежа от неръждаема стомана с размер на отвора 55 µm (устойчива на морска вода, молибден клас SS316; The Mesh Company, Великобритания) и найлонова 6,6 NITEX мрежа с 1 µm размер на отвора (Sefar, Швейцария). След филтрирането всяка натоварена с частици мрежа се сгъва внимателно и се съхранява при -20 ° C до анализ 31 .
Примерна подготовка за FTIR изображения
Частиците от всяка мрежа се изплакват с помощта на 1 L изкуствена морска вода (ASW) и всяка фракция се събира в отделна стъклена колба. ASW (целева концентрация 35 g L -1) се приготвя, като първо се разтваря висококачествена предварително изгаряна сол (500 ° С за 24 часа) в MilliQ и след това се филтрира разтворът ASW през филтър от стъклени влакна (номинален размер на порите 0.8 µm, GF / F, Whatman). Отделна смес от частици ASW-частици беше разделена на четири фракции с еквивалентен обем, използвайки разделител Folsom, направен от полиметилметакрилат (плексиглас / Perspex). Разделянето на всяка фракция по размер се завърта внимателно, за да се хомогенизира сместа вода-частици и 100 ml аликвотна част веднага се прехвърля в градуирана 200-милилитрова стъклена колба, покрита с часовник и инкубирана с 15 ml 47% KOH (Merck , Германия) при 60 ° С в продължение на 72 часа за отстраняване на частици органичен материал 27 , 28. След храносмилането всяка проба всяка размерна част се филтрира върху 25-милиметров филтърен диск от неръждаема стомана (25 µm размер на отвора; The Mesh Company, UK) и се изплаква с MilliQ за отстраняване на сол и с 30% (v / v%) етанол (Merck, Германия) за намаляване на повърхностното напрежение 9 . Натоварените с частици филтърни дискове бяха поставени в стъклените чашки на Петри и с отворени капаци леко изсушени в ламинарния поток за 24–48 часа, преди да бъдат напълно затворени. Останалият филтрат (1–25 µm фракция с размер на частиците, която не е част от това проучване) се филтрира върху сребърни филтри (0,8 µm номинален размер на порите; Sterlitech, САЩ), изсушава се и се съхранява до анализ.
Измервания със система за изображения FTIR
Химичният състав на извлечените морски частици се определя с помощта на FTIR система за изображения с линейна редица. Използваното оборудване беше Spotlight ™ 400 FTIR Imaging System, свързана с Frontier ™ IR Spectrometer (PerkinElmer, Llantrisant, UK) и оборудвана с тройна оптична система Cassegrain и 2 × 8 линейна решетка Mercury Cadmium Telluride (MCT) детектор. Предната и пробната фаза на образа на микроскопа бяха заобиколени от атмосферното заграждение Spotlight, изработено от плексиглас, което минимизира атмосферните ефекти и вибрации и, което е важно, въздушното замърсяване на пробите и оптичните компоненти (допълнителна фигура 4 ). Областта на интерес с обща площ 6 mm × 6 mm, съответстваща на 18% от филтрираната проба (обща площ 201 mm 2въз основа на блендата на филтърната чаша Advantec Millipore и разположена върху центъра на филтърния диск, беше сканиран в режим на предаване в спектрален диапазон 4000–750 cm -1 при 8 cm -1 спектрална разделителна способност и 25 µm резолюция на пиксела 4 съвместно добавени сканирания. Границите на общата площ на изображението са били ограничени до блендата на притежателя на пробата ( Ø = 10 mm), върху който е монтиран филтърът за проби за измерване на трансмисията. За последователност и за предотвратяване на загуба на проба, потенциално замърсяване и двойно отчитане на частиците, филтърът не е преместен, за да позволи другите му зони да бъдат изложени за по-нататъшно изобразяване. Областта за изображения също е биннирана в 2 × 2 квадратни селекции, наречени маркери с площ 3 mm × 3 mm всеки, за да се оптимизира спектралният изход на данни за изображение. Фонът на IR изображението се събира във въздуха при същите спектрални настройки, но с увеличен брой съвместно добавени спектри ( n = 120). Всяко измерване отне 88 минути и генерира 57 600 единични спектъра върху цялата изобразена площ.
Анализът на получените хиперспектрални IR изображения и идентификацията на полимера беше извършен с помощта на софтуера PerkinElmer Spectrum ™ IMAGE и Spectrum ™ 10. Подробната процедура е описана в Допълнителни методи . Накратко, химиометричната техника на анализ на основните компоненти (PCA) беше използвана за първо изследване на химичния състав на цялата образец на образни частици и събиране на спектри от всяка промяна (резултат), показана на реконструираното ИК изображение на базата на PCA 73 , 74 , 75 (Допълнителна информация Фиг. 5а, б ). След това събраните индивидуални спектри бяха експортирани в софтуера Spectrum ™ 10 (допълнителна фиг. 5в) за идентификация чрез сравнение спрямо спектрите в референтната полимерна библиотека (18 711 вида полимери; база данни за спектри от ST Japan-Europe GmbH, Германия / Япония). Спектрите с качество на удара> 0.7 (максимум резултат на 1) бяха приети като проверени полимери от типове 9 , 76 и запазени. От тях бяха избрани най-качествените спектри за PE, PP и PS и използвани като референтни спектри за нанасяне на корелационни карти спрямо всеки пиксел, съставляващ IR изображението, с помощта на Spectrum ™ IMAGE (допълнителна фигура 6а ). По същество реконструираното IR изображение показва местоположението и зоните, заети от всеки от изследвания тип полимер. Тези специфични за полимера IR изображения след това се експортират в софтуера за изображения FIJI Image J за броя на частиците и характеризирането им77 , 78 (виж допълнителни методи , допълнителна фиг. 6б и допълнителна таблица 4 ).
Количествено определяне на броя на концентрациите на микропластмасите
Специфичните за полимера частици се преброяват във всеки от четирите маркера 3 mm × 3 mm, съставляващи общата площ на изображението (6 mm × 6 mm) на филтъра. За всяка проба третирахме четирите маркера като реплики на пробата 24, за да отчетем неравномерното разпределение на пластмасовите частици върху филтъра за проби, подобно на метода в реф. 33 . Изчислихме средното и стандартното отклонение на четирите повторения, за да определим броя на частиците на изобразената площ. След това тези стойности се мащабират до частици на единица обемни единици (m- 3 ), като се използва известната обща площ на филтъра (201 mm 2 ), обемът на пробата фракция / разцепеният филтриран за FTIR изображения и общият обем морска вода, събрана с помпа in situ на всяка проба (допълнителни данни 1; виж подобен подход в реф. 3 ). Разпространението на грешки за изчисляване на броя на частиците на филтър включва грешката от преобразуването на пълния обем на пробата в изследваната фракция на пробата (разделяне). Първият се основава на практическата точност на дебита на SAP, който е ~ ± 2% за дебит от 60 L h -1 за запушени филтри до 1000 L h -1 в чисти води (Challenger Oceanic Ltd.). Грешката от разделянето на сместа вода-частици беше оценена на ~ 5% въз основа на гравиметричните измервания на MilliQ водна проба, разделена по същия начин като пробите. Грешката, свързана с измерването на размера на филтрираните и сканирани области, се счита за незначителна.
Процедурни заготовки
Неизползваните мрежи бяха подготвени и обработени на борда на кораба по абсолютно същия начин като пробите. За празната проба, 3 L вода MilliQ бяха прокарани през чистите неизползвани мрежи (в три екземпляра), заредени в корпуса на филтъра SAP в ламинарния поток. Обработката на процедурните заготовки в сухопътната лаборатория при подготовка за FTIR изображения е извършена по същия начин като пробите. Замърсяването на заготовки с PE, PP и PS беше изследвано чрез възстановяване на получените IR изображения на празни проби спрямо съответните референтни спектри, идентифицирани в действителните проби (допълнителна таблица 3). Всички полимерни спектри, избрани като референтни спектри, имат резултат> 0,90 (т.е. 90% сходство с библиотечните спектри). В процедурните заготовки не бяха открити микропластични частици, надеждно идентифицирани като PE, PP и PS (допълнителни фигури 1 и 2). Подозрителни пиксели с повишени коефициенти на корелация (0.615–0.634) спрямо референтни полимерни спектри бяха открити в празен №2 / маркер 2 и идентифицирани като полиметилпентан (PMP; спектър ID SP0061; резултат за най-добро попадение = 0.78) и в празен номер 3 / маркер 4 и идентифицирани като бензил бутил фталат (BBP; спектър ID AD0232; най-добри резултати = 0.91). PMP е твърд полиолефин и е идентифициран в 5 проби от 36 с диапазон на резултатите от 0,73–0,83. BBP е обикновен пластификатор за PVC и присъства в 4 проби с диапазон на удари 0,86–0,97 (допълнителни данни 2 ). BBP спектрите присъстват в други 14 проби, въпреки че тяхното качество е под приемливото (обхват на резултатите от 0.47–0.69; Допълнителни данни 2). BBP пластификаторът е лепкава течност, която може да се отдели от корпуса на филтъра на SAP на базата на PVC или от самите PVC частици по време на процеса на разграждане и да се залепи върху мрежестата жица. Местоположението на тези типове полимери в картите с IR изображения не съвпада с никоя от полимерните групи, които представляват интерес.
Масова конверсия
Масата на отделните микропластични частици се изчислява чрез умножаване на обема им по специфичната за полимера плътност (допълнителни данни 1 ). Обемът на частиците се изчислява, като се използват размерите на частиците (дължина и / или площ), измерени на IR изображението, и се приема диапазон от форми на частиците, както се прилага в предишни изследвания (справки 10 , 29 , 31 , 32 ). Тук отчитаме най-консервативните оценки (метод IV / люспи), получени по метода на реф. 10 . Детайли и чувствителност анализ за масови реализации използват всички прилаганите методи са дадени в допълнителните Методи и обобщени в допълнителния фиг. 3. Масовите концентрации на полимер-специфични микропластици (в µg m −3 ) се изчисляват чрез умножаване на средната им маса на частиците по числова концентрация във всяка проба (допълнителни данни 1 ).
Масов бюджет на пластмаси в Атлантическия океан
Кумулативният принос на пластмасови отломки в океана от 1950 до 2015 г. и текущите им натоварвания в различни отделения (повърхностни води, воден стълб и дълбочинни седименти) на Атлантическия океан бяха оценени с помощта на данните, налични от литература 2 , 4 , 7 , 10 , 19 , 39 , 60 и включително полимер-специфичните масови концентрации, измерени в това проучване (допълнителна таблица 2 ).
Вносът на пластмаса в Атлантическия океан се изчислява, като се използват оценките на глобалното образуване на пластмасови отпадъци от 1950 до 2015 г. (справка 19 ; Допълнителна таблица 2 ). Частта от глобалните пластмасови отпадъци, които са влезли в Атлантическия океан до 2015 г., се изчислява, като първо се вземат предвид прогнозите за неправилно управлявани пластмасови отпадъци, генерирани и налични за изхвърляне само от страните, граничещи с Атлантическия океан през 2010 г. (справка 2 , 4 ; Допълнителна таблица 2 ). Източниците включват неправилно управлявани пластмасови отпадъци от крайбрежните райони (с големина> 5 mm; реф. 4 ) и реки (с размер> 0,3 mm; ref. 2 ). Обърнете внимание, че реф. 2получени речни входове, използвайки неправилно управлявания пластмасов модел 4 на Jambeck et al. , водосборни басейни и местонахождения на изкуствени язовири и следователно тези входове не са допълнителни, но са включени в оценките на Jambeck et al. за 2010 г. (реф. 4 ). Освен това беше направено предположението, че за дадения период делът на глобалните пластмасови отпадъци, постъпващи в Атлантическия океан всяка година, е подобен на този през 2010 г. (0,3–0,8%; справка 4 ).
Запасите от пластмаса в Атлантическия океан се основават на масовото натоварване на плаваща пластмаса в морската повърхност на Атлантическия океан, отчетено в справки. 7 , 39 (също препратки към тях) и въз основа на данните от проучванията на мрежата / трала в комбинация с широкомащабни модели на повърхностната океанска циркулация (допълнителна таблица 2 ).
Поради оскъдността на данните за пластично натрупване в дълбочинните седименти, натоварването им в глобален и регионален мащаб в момента е много сурово. Реф. 60 цитира товарните пластмасови отломки с категория с размер> 5 mm на глобалното морско дъно от порядъка на около 25–65 MT; скалирахме тези стойности до площта на Атлантическия океан (81,2 × 10 6 km 2 , с изключение на Балтийско и Средиземно море; справка 59 ). Получените в целия Атлантическия океан утайки трябва да бъдат разгледани в светлината на несигурността, свързана с променливо разпределение на пластмасови отпадъци по морското дъно поради различни процеси, отговорни за тяхното снабдяване, отстраняване, транзит, разграждане и преразпределение в морската среда.
Екстраполирането на изобилието от полимер-специфични микропластмаси, измерено в нашето изследване, е описано в основния текст. Обхватът на запасите, докладван за всеки тип полимер, се дължи на предположението за различни форми на частиците при преобразуване на единиците за концентрация от число в маса (вижте съответния раздел „Методи“ и допълнителна информация ).
статистически анализи
Статистическите сравнения се основават на непараметрична статистика ( U- тест на Mann-Whitney ) и се извършват с помощта на софтуера с отворен код R (версия 3.4.1; https://www.r-project.org/ ). Нивото на значимост беше избрано да бъде 1% ( α = 0.01).
Резюме на отчета
Допълнителна информация за изследователския дизайн е налична в Резюмето за докладване на научните изследвания, свързано с тази статия.
Наличност на данни
Всички специфични за полимерите данни, лежащи в основата на това проучване, могат да бъдат изтеглени от Британския океанографски център за данни (BODC; https://doi.org/10.5285/aadd4168-0398-14f5-e053-17d1a68b059d и реф. 24 ) или са достъпни от съответния автор при поискване. Данните от Argo за месечната климатология на смесения слой под наименованието „май 2018 netcdf формат“ бяха изтеглени от уебсайта на Argo Mixed Layer ( http://mixedlayer.ucsd.edu/ ), домакин на Института по океанография на Scripps, UC San Diego. Данните за Арго, използвани за създаването на тази климатология, са събрани и предоставени на свободен достъп от Международната програма Арго и националните програми, които допринасят за нея ( http://www.argo.ucsd.edu , http://argo.jcommops.org). Програмата Argo е част от Глобалната система за наблюдение на океана ( https://doi.org/10.17882/42182#56126 ). Данните за профила на CTD, събрани по време на експедицията AMT26 JR16001, са предоставени и са свободно достъпни от BODC ( https://doi.org/10.5285/aa51baf6-2095-6c28-e053-6c86abc0d7f7 и справка 23 ).
Препратки
- 1.
GESAMP Източници, съдба и ефекти на микропластмасите в морската среда (част 2) (IMO, 2016).
- 2.
Lebreton, LC et al. Емисии на речна пластмаса в световните океани. Нат. Общ. 8 , 15611 (2017).
- 3.
Allen, S. et al. Атмосферен транспорт и отлагане на микропластмаси в отдалечен планински водосбор. Нат. Геоски . 12 , 339–344 (2019).
- 4.
Jambeck, JR et al. Пластмасови отпадъци от сушата в океана. Science 347 , 768–771 (2015).
- 5.
Galloway, TS, Cole, M. & Lewis, C. Взаимодействия на микропластични отломки в морската екосистема. Нат. Екол. Evol. 1 , 0116 (2017).
- 6.
Райт, SL & Kelly, FJ Пластмасата и човешкото здраве: микро проблем? Околна среда. Sci. Технол. 51 , 6634–6647 (2017).
- 7.
Van Sebille, E. et al. Глобален списък с малки плаващи пластмасови отломки. Околна среда. Рез. Lett. 10 , 124006 (2015).
- 8.
Kanhai, LDK и др. Микропластика в подводните води на Арктическия централен басейн. Март Полют. Бик. 130 , 8–18 (2018).
- 9.
Bergmann, M. et al. Големи количества микропластмаса в арктически дълбоководни утайки от обсерваторията HAUSGARTEN. Околна среда. Sci. Технол. 51 , 11000–11010 (2017).
- 10.
Cózar, A. et al. Пластмасови отломки в открития океан. Proc. Natl Акад. Sci USA 111 , 10239–10244 (2014).
- 11.
Schmidt., C., Krauth, T. & Wagner, S. Износ на пластмасови отломки от реки в морето. Околна среда. Sci. Технол. 51 , 12246–12253 (2017).
- 12.
Dawson, AL et al. Превръщането на микропластиката в нанопластика чрез храносмилателна фрагментация от антарктически крил. Нат. Общ. 9 , 1001 (2018).
- 13.
Ter Halle, A. et al. Разбиране на модела на фрагментиране на морските пластмасови отломки. Околна среда. Sci. Технол. 50 , 5668–5675 (2016).
- 14.
Gewert, B., Plassmann, MM & MacLeod, M. Пътеки за разграждане на пластмасови полимери, плаващи в морската среда. Околна среда. Sci. Процес. Въздействия 17 , 1513–1521 (2015).
- 15.
Long, М. и сътр. Взаимодействия между микропластмасите и фитопланктонните агрегати: въздействие върху съответните им съдби. Март. Chem. 175 , 39–46 (2015).
- 16.
Kooi, M., Nes, EHV, Scheffer, M. & Koelmans, AA Възходи и падения в океана: ефекти от биообработването върху вертикалния транспорт на микропластмасите. Околна среда. Sci. Технол. 51 , 7963–7971 (2017).
- 17.
Cole, М. et al. Микропластично поглъщане от зоопланктон. Околна среда. Sci. Технол. 47 , 6646–6655 (2013).
- 18.
Cole, М. et al. Микропластиката променя свойствата и скоростта на потъване на фецесните пелети от зоопланктон. Околна среда. Sci. Технол. 50 , 3239–3246 (2016).
- 19.
Geyer, R., Jambeck, JR & Law, KL Производство, употреба и съдба на всички пластмаси, правени някога. Sci. Adv. 3 , e1700782 (2017).
- 20.
Erni-Cassola, G., Zadjelovic, V., Gibson, MI & Christie-Oleza, JA Разпределение на видовете пластмасови полимери в морската среда; мета-анализ. J. Hazard. Матер. 369 , 691–698 (2019).
- 21.
McDonnell, AMP et al. Океанографският набор от инструменти за събиране на потъващи и суспендирани морски частици. Prog. Океаногр. 133 , 17–31 (2015).
- 22.
Bishop, JKB, Lam, PJ & Wood, TJ Получаване на добри частици: точно вземане на проби от частици чрез филтриране на място с голям обем. Limnol. Океаногр. 10 , 681–710 (2012).
- 23.
Ayliffe, JO AMT26 (JR16001) CTD профили (налягане, температура, соленост, потенциална температура, плътност, флуоресценция, пропускане, PAR за понижаване, концентрация на разтворен кислород) са калибрирани и смесени на 1 dbar. Британски център за океанографски данни, Национален океанографски център, NERC, Великобритания. https://doi.org/10.5285/aa51baf6-2095-6c28-e053-6c86abc0d7f7 (2020).
- 24.
Pabortsava, K. Изобилие и размер на микропластични частици във филтрирани проби от морска вода, събрани на трансект север-юг в Атлантическия океан по време на круиз AMT26 (JR16001), септември – ноември 2016 г. Британски център за океанографски данни, Национален океанографски център, NERC, Великобритания. https://doi.org/10.5285/aadd4168-0398-14f5-e053-17d1a68b059d (2020).
- 25.
Kara, AB, Rochford, PA & Hurlburt, HE Оптимална дефиниция за дълбочина на океанския смесен слой. J. Geophys. Рез. Океани 105 , 16803–16821 (2000).
- 26.
Англия, MH Възрастта на времето и времето за вода и вентилация в глобален океански модел. J. Phys. Океаногр. 25 , 2756–2777 (1995).
- 27.
Dehaut, A. et al. Микропластика в морски дарове: еталонен протокол за тяхното извличане и характеризиране. Околна среда. Полют. 215 , 223–233 (2016).
- 28.
Kühn, S. et al. Използването на разтвор на калиев хидроксид (KOH) като подходящ подход за изолиране на пластмаси, погълнати от морски организми. Март Полют. Бик. 115 , 86–90 (2017).
- 29.
Isobe, A., Iwasaki, S., Uchida, K. & Tokai, T. Изобилие от неконсервативна микропластика в горната част на океана от 1957 до 2066 г. Nat. Общ. 10 , 417 (2019).
- 30.
Kooi, M. et al. Ефектът на свойствата на частиците върху профила на дълбочината на плаващите пластмаси в океана. Sci. Rep. 6 , 33882 (2016).
- 31.
Poulain, M. et al. Малките микропластмаси като основен фактор за баланса на пластмасовата маса в Северноатлантическия субтропичен гир. Околна среда. Sci. Технол. 53 , 1157–1164 (2018).
- 32.
Jennings, BR, Parslow, K. & Ottewill, RH Измерване на размера на частиците: еквивалентният сферичен диаметър. Proc. R. Soc. Лонд. A 419 , 137–149 (1988).
- 33.
Peeken, I. et al. Арктическият морски лед е важна временна мивка и транспортно средство за микропластика. Нат. Общ. 9 , 1505 (2018).
- 34.
Enders, K., Lenz, R., Stedmon, CA & Nielsen, TG Изобилие, размер и полимерен състав на морските микропластмаси ≥10 μm в Атлантическия океан и тяхното моделирано вертикално разпределение. Март Полют. Бик. 100 , 70–81 (2015).
- 35.
Kanhai, LD, офицер, R., Lyashevska, O., Thompson, RC & O'Connor, I. Микропластично изобилие, разпространение и състав по широтинен градиент в Атлантическия океан. Март Полют. Бик. 115 , 307–314 (2017).
- 36.
Lusher, AL, Burke, A., O'Connor, I. & Officer, R. Микропластично замърсяване в североизточната част на Атлантическия океан: валидирано и опортюнистично вземане на проби. Март Полют. Бик. 88 , 325–333 (2014).
- 37.
Maximenko, N., Hafner, J. & Niiler, P. Пътеки на морски отломки, получени от траектории на лагранжеви дрифтери. Март Полют. Бул. 65 , 51–62 (2012).
- 38.
Lebreton, L.-M., Greer, S. & Borrero, JC Числено моделиране на плаващи отломки в световния океан. Март Полют. Бик. 64 , 653–661 (2012).
- 39.
Eriksen, М. и сътр. Замърсяване с пластмаса в световния океан: над 5 трилиона пластмасови парчета с тегло над 250 000 тона плават в морето. PLoS ONE 9 , e111913 (2014).
- 40.
Law, KL et al. Пластично натрупване в северния атлантически субтропичен гир. Science 329 , 1185 (2010).
- 41.
Закон, KL Пластмасите в морската среда. Ану. Rev. Mar. Sci. 9 , 205–229 (2017).
- 42.
Kukulka, T., Proskurowski, G., Morét-Ferguson, S., Meyer, DW & Law, KL Ефектът от смесването на вятъра върху вертикалното разпределение на плаващите пластмасови отломки. Geophys. Рез. Lett . https://doi.org/10.1029/2012GL051116 (2012).
- 43.
Reisser, J. et al. Вертикалното разпределение на плаващата пластмаса в морето: наблюдателно проучване в северния атлантически гир. Biogeosciences 12 , 1249–1256 (2015).
- 44.
Lebreton, L., Egger, M. & Slat, B. Глобален масов бюджет за положително плаващи макропластични отломки в океана. Sci. Rep. 9 , 12922 (2019).
- 45.
Kühn, S., Bravo Rebolledo, EL & van Franeker, JA In Marine Anthropogenic Litter (eds Bergmann, M., Gutow, L. & Klages, M.) 75–116 (Springer International Publishing, 2015).
- 46.
Markic, A. et al. Двойни неприятности в субтропичната жира на Южния Тихи океан: увеличен прием на пластмаса от риба в зоната на натрупване на океана. Мар. Pollut. Бик. 136 , 547–564 (2018).
- 47.
Kokorin, NV & Istomin, IG Използване на дълбоководен парагад от „испански тип“ и неговите модификации в руското изследване на зъболекарите Ross Sea през сезона 2004 / 05-2005 / 06. CCAMLR WG-FSA-06/5 (2006).
- 48.
Robertson, G. et al. Линейни тегла с постоянна маса (и скорости на потъване) за съдове с параган от патагонски зъбопроводи с испанска система. CCAMLR Sci. J . 15 , 93–106 (2008).
- 49.
Krag, LA и др. Избор на размер на антарктически крил ( Euphausia superba ) в тралове. PLOS ONE 9 , e102168 (2014).
- 50.
Schwaben, HD стокова пластмаса. Доклад за тенденция. Полистирол. Kunstoffe Plast Europe 95 , 68–70 (2005).
- 51.
Zhu, L., Zhao, S., Bittar, TB, Stubbins, A. & Li, D. Фотохимично разтваряне на плаваща микропластика до разтворен органичен въглерод: скорости и микробни въздействия. J. Hazard. Матер. 383 , 121065 (2020).
- 52.
Cutter, G. et al. Протоколи за вземане на проби и обработка на проби за круизи GEOTRACES (GEOTRACES International Project Office, 2017).
- 53.
Carpenter, EJ & Smith, K. Пластмаси на повърхността на Саргасово море. Science 175 , 1240–1241 (1972).
- 54.
Ye, S. & Andrady, AL Обрастване на плаващи пластмасови отломки при условия на експозиция в залива Бискайн. Мар. Pollut. Бик. 22 , 608–613 (1991).
- 55.
Holmström, A. Пластмасови филми на дъното на Skagerack. Nature 255 , 622–623 (1975).
- 56.
Fazey, FMC & Ryan, PG Biofouling върху плаващи морски пластмаси: Експериментално проучване на ефекта на размера върху повърхностното дълголетие. Околна среда. Полют. 210 , 354–360 (2016).
- 57.
Michels, J., Stippkugel, A., Lenz, M., Wirtz, K. & Engel, A. Бърза агрегация на покрити с биофилм микропластмаси с морски биогенни частици. Proc. R. Soc. B 285 , 20181203 (2018).
- 58.
Kosore, C. et al. Появяване и поглъщане на микропластика от зоопланктон в морската среда на Кения: първите документирани доказателства. Афр. J. Mar. Sci. 40 , 225–234 (2018).
- 59.
Eakins, BW & GF Sharman, Обеми на световните океани от ETOPO1, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO. Https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo1_ocean_volumes.html (2010).
- 60.
Booth, AM et al. Микропластика в глобалната и норвежката морска среда: разпространение, разграждане, механизми и транспорт (SINTEF Oceans AS, 2017).
- 61.
Bergmann, M. et al. Бяло и прекрасно? Микропластиката преобладава в снега от Алпите до Арктика. Sci. Adv. 5 , eaax1157 (2019).
- 62.
Ter Halle, A. et al. Нанопластика в северния атлантически субтропичен гир. Околна среда. Sci. Технол. 51 , 13689–13697 (2017).
- 63.
Koelmans, AA, Besseling, E. & Shim, WJ In Marine Anthropogenic Litter (eds Bergmann, M., Gutow, L. & Klages, M.) 325–340 (Springer International Publishing, 2015).
- 64.
Hurley, R., Woodward, J. & Rothwell, JJ Микропластичното замърсяване на речните корита значително намалява от наводнения в широк водосбор. Нат. Геоски. 11 , 251 (2018).
- 65.
Wang, T. et al. Емисии на първични микропластмаси в континентален Китай: невидими, но не и пренебрежими. Вода Res. 162 , 214–224 (2019).
- 66.
Cheung, PK & Fok, L. Характеризиране на пластмасовите микрозърна в скрабовете за лице и техните очаквани емисии в континентален Китай. Water Res 122 , 53–61 (2017).
- 67.
Boucher, J. Първична микропластика в океаните: Глобална оценка на източниците (IUCN Publication, 2017).
- 68.
Obbard, RW et al. Глобалното затопляне освобождава микропластично наследство, замразено в леда на Арктическо море. Бъдещето на Земята 2 , 315–320 (2014).
- 69.
Andrady, AL & Neal, MA Приложения и обществени ползи от пластмасите. Филос. Транс. R. Soc. B 364 , 1977–1984 (2009).
- 70.
Ashby, MF Материали и околна среда: Екологично информиран избор на материали (Elsevier, 2012).
- 71.
Thompson, RC, Moore, CJ, Vom Saal, FS & Swan, SH Plastics, околната среда и човешкото здраве: настоящ консенсус и бъдещи тенденции. Филос. Транс. R. Soc. B 364 , 2153–2166 (2009).
- 72.
Planquette, H., Fones, GR, Statham, PJ & Morris, PJ Произход на желязото и алуминия в големи частици (> 53 µm) в региона Crozet, Южен океан. Март. Chem. 115 , 31–42 (2009).
- 73.
Amigo, JM, Babamoradi, H. & Elcoroaristizabal, S. Анализ на хиперспектрален образ. Урок. Анален. Чим. Закон. 896 , 34–51 (2015).
- 74.
Karlsson, TM, Grahn, H., van Bavel, B. & Geladi, P. Хиперспектрални изображения и анализ на данни за откриване и определяне на замърсяване с пластмаса в филтратите на морската вода. J. Близо до инфрачервения спектър. 24 , 141–149 (2016).
- 75.
Vidal, M. & Amigo, JM Предварителна обработка на хиперспектрални изображения. Съществени стъпки преди анализ на изображението. Chemom. Intell. Лаборатория. 117 , 138–148 (2012).
- 76.
Primpke, S., Lorenz, C., Rascher-Friesenhausen, R. & Gerdts, G. Автоматизиран подход за анализ на микропластика, използващ FTIR микроскопия и анализ на изображението с фокусна равнина (FPA). Анален. Методи 9 , 1499–1511 (2017).
- 77.
Erni-Cassola, G., Gibson, MI, Thompson, RC & Christie-Oleza, JA Загубени, но открити с нил червено: нов метод за откриване и количествено определяне на малки микропластици (1 mm до 20 μm) в проби от околната среда. Околна среда. Sci. Технол. 51 , 13641–13648 (2017).
- 78.
Schindelin, J. et al. Фиджи: платформа с отворен код за анализ на биологичното изображение. Нат. Методи 9 , 676 (2012).
- 79.
Holte, J., Talley, LD, Gilson, J. & Roemmich, D. An Argo смесен слой климатология и база данни. Geophys. Рез. Lett. 44 , 5618–5626 (2017).
- 80.
Holte, J. & Talley, L. Нов алгоритъм за намиране на смесени дълбочини на слоя с приложения за арго данни и образуване на вода в субантарктически режим. J. Atmos. Ocean Technol. 26 , 1920–1939 (2009).
Няма коментари:
Публикуване на коментар